深圳楊梅坑地區(qū)巖石－土壤－植物系統(tǒng)中重金屬元素的遷移特征

孫現(xiàn)領(lǐng)，賈黎黎

SUN Xian－Ling1， JIA Li－Li2

（1. 深圳大鵬半島國家地質(zhì)公園管理處，深圳 518121； 2. 廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣州 510080）

（1. Shenzhen Dapeng Peninsula National Geopark Management Office， Shenzhen 518121， Guangdong， China；2. Guangdong Geological Survey Institute， Guangzhou 510080， Guangdong， China）

生態(tài)地質(zhì)調(diào)查是服務(wù)于自然資源安全保障與管理、生態(tài)保護與修復(fù)的基礎(chǔ)地質(zhì)工作[1－3]。 根據(jù)我國生態(tài)地質(zhì)調(diào)查試點經(jīng)驗，不同地區(qū)研究內(nèi)容和調(diào)查重點存在很大區(qū)別[4－6]。以往的調(diào)查多局限于地質(zhì)學(xué)、植物學(xué)、動物學(xué)等單學(xué)科調(diào)查研究[7－12]，沒有系統(tǒng)性分析巖石－土壤－植物系統(tǒng)的相關(guān)性和內(nèi)在聯(lián)系。 因此，本次研究主要以巖石－土壤－植物生態(tài)系統(tǒng)的地質(zhì)控制作用作為重點研究內(nèi)容。 尋找?guī)r石－土壤－植物系統(tǒng)中重金屬元素的含量及分布特征，從生態(tài)地球化學(xué)角度分析重金屬元素在巖石－土壤－植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化累積規(guī)律及其相互作用機理，對全面掌握生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)特征，進行生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護、治理以及土地利用規(guī)劃以及土地資源可持續(xù)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于深圳大鵬半島國家地質(zhì)公園內(nèi)，東南毗珠江三角洲，西與香港隔海相望，北與惠州海域相接，與深圳市區(qū)相距約50 km，交通便利（圖1）區(qū)內(nèi)。 地層發(fā)育較簡單，主要為泥盆系春灣組和侏羅系南山組（圖2）。 土壤類型主要為赤紅壤、紅壤、黃壤，其中分布面積最大是赤紅壤，占整個半島的60%左右。 研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候。 年平均氣溫22℃，最冷的 1 月平均氣溫 15.2℃，最熱 7 月平均氣溫 27.9℃。 全年降雨量 2280 mm 左右，十分利于植物的生長，植被茂密。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測定

研究區(qū)內(nèi)主要地層為南山組，只有小部分春灣組 （圖2）。 結(jié)合野外考察選擇土壤發(fā)育較完整地段，最終確定5 個采樣點。每個采樣點由上至下，按照土壤自然發(fā)生層采集植物、表土層（A 層）、成土母巖（D 層）樣品。芒萁是楊梅坑地區(qū)一種很常見的蕨類植物， 是區(qū)域植被草本層的主要組成物種，也是區(qū)域酸性土壤的指示物種。 該植物抗旱能力強，分布范圍廣，具有很好的水土保持作用，是研究植物體內(nèi)元素含量分布、遷移、累積規(guī)律的理想材料。為此，本研究以其為主要植物研究對象，其莖為根狀莖，生長在地下，根附著在根狀莖上，呈須狀；地上部分為葉，其葉柄直立，占植株總重量的很大一部分。 為了解植物體內(nèi)各器官元素含量的差異，這里將芒萁植株分為根、莖、葉3 個器官分別測定其元素含量。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig. 1 Geographical location map of the study area

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 2 Simplified geological map of the study area

本次樣品分析工作由廣東省地質(zhì)實驗中心承擔(dān)。 巖石和土壤帶回實驗室后風(fēng)干，清除雜質(zhì)后過篩備用，植物樣品帶回實驗室清洗干凈，烘干至恒重，粉碎研磨備用。 巖石、土壤和植物樣品中的Pb、Zn 含量采用 X 射線熒光光譜法（XRF）測定；Cd 含量采用等離子體質(zhì)譜法（ICP－MS）測定；Cr、Cu、Ni含量采用等離子體光譜法（ICP－OES）測定；As、Hg含量采用原子熒光光譜法（AFS）測定。

2.2 指標(biāo)計算方法

①轉(zhuǎn)移系數(shù)：指地上部元素的含量與地下部同種元素含量的比值，用來評價植物將金屬元素從地下向地上的運輸和富集能力。 轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，則金屬從根系向地上部器官轉(zhuǎn)運能力越強[13]。

HMG：植物地上部分金屬含量，本文取芒萁葉中含量；

HMR：植物根部金屬含量。

②生物富集系數(shù)：植物對重金屬的生物富集系數(shù)，也稱吸收系數(shù)，是指植物地上部某重金屬的含量與其生長介質(zhì)中某重金屬含量之比。生物富集系數(shù)是植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)并在體內(nèi)累積的能力大小的評價指標(biāo)，常用此指標(biāo)來反映重金屬元素在土壤－植物體系中遷移的難易程度， 計算公式為：

HMP：植物體內(nèi)某重金屬含量

HMS：土壤中某重金屬含量

③綜合富集系數(shù)：某植物綜合富集系數(shù)是植物體各器官對各元素富集系數(shù)的平均值。 植物的根、莖、葉是一個整體，綜合富集系數(shù)能較直觀、清晰的反映植物整體富集某種金屬的能力大小[14]。

其中，CFR根富集系數(shù)；CFL葉富集系數(shù)；CFS莖富集系數(shù)。

3 研究結(jié)果

3.1 成土母巖與土壤

3.1.1 成土母巖特征

調(diào)查區(qū)巖石重金屬元素含量特征見表1。

表1 七娘山楊梅坑地區(qū)巖石重金屬元素含量特征統(tǒng)計（單位：μg／g）Table 1 Content of heavy metal elements in rocks of yangmeikeng

（1）本次調(diào)查全部流紋巖與中國流紋巖元素豐度對比，含量高的（比值大于1.2）呈富集特征的元素主要有Pb、Zn，Ni 貧乏最為明顯， 其含量平均值只有 1.86 μg／g，是中國流紋巖的 46.44%。

（2）石英砂巖樣與中國東部石英砂巖元素豐度相對比，含量高的（比值大于1.2）呈富集特征的元素有 Cu、Pb、Cr，貧乏 Ni、As、Hg。 其中 Pb 富集最為顯著，其含量為中國東部石英砂巖的4.35 倍。

（3）調(diào)查區(qū)全部巖石樣與華南褶皺系元素豐度對比，含量與其接近的元素有Pb、Zn、Hg，呈現(xiàn)相對貧化的元素為 Cu、Ni、Cr、Cd、As 等。

（4）不同地質(zhì)體元素含量差異較大，相對于春灣組老地層，南山組火山巖中Pb、Zn、Cd 等重金屬元素含量偏高， 而Cu、Cr、Ni 等重金屬元素在老地層中的含量顯著高于火山巖。

3.1.2 土壤與成土母巖關(guān)系

土壤來自于巖石的風(fēng)化產(chǎn)物，因此研究土壤與成土母巖的關(guān)系有較大意義，本次研究共采集5 組土壤樣品，數(shù)據(jù)如表2 所示。 對本次采集的土壤中元素含量及其成土背景母巖元素含量均值進行對比分析發(fā)現(xiàn)，除As、Hg 外，土壤中重金屬元素與其成土母巖中重金屬元素含量具有較好的共消長關(guān)系（圖 3），說明調(diào)查區(qū) Pb、Zn、Cu、Cd、Cr 等重金屬元素含量與地質(zhì)背景關(guān)系密切，一定程度上受控于成土母巖。

在不同地質(zhì)背景上， 成土母巖存在著差異，元素富集情況也不一樣。以泥盆系風(fēng)化物為成土母質(zhì)的土壤富集 Cu、Ni、Cr， 以火山巖風(fēng)化物為成土母質(zhì)的土壤富集 Pb、Zn、Cd、Hg。土壤在區(qū)域上富集特征，與巖石富集特征基本一致，表明地質(zhì)背景是影響土壤重金屬分布的主要因素之一。

3.2 植物與土壤

3.2.1 土壤－植物中重金屬元素遷移

植物體內(nèi)富集的重金屬元素主要是從土壤吸收的，而植物從土壤中吸收的重金屬元素最先在根部積累，然后有一部分通過植物體內(nèi)循環(huán)被運輸?shù)街参矬w的其他部位；因而植物體的不同器官對金屬元素吸收富集狀況不一樣，一般情況下植物的地下部分要高于地上部分。

表2 七娘山楊梅坑地區(qū)土壤重金屬元素含量特征統(tǒng)計（單位：μg／g）Table 2 Content of heavy metal elements in soil of yangmeikeng area

圖3 土壤與成土母巖重金屬元素含量關(guān)系圖Fig. 3 Comparison of heavy metal content between soil and parent rock

結(jié)合不同地層表層土壤和芒萁各個部位檢測到的重金屬元素共得到了 Ni、As、Cr、Cu、Zn、Pb、Hg、Cd 等8 種重金屬元素在芒萁內(nèi)的綜合富集系數(shù)（圖4），由圖4 可知，在春灣組中，重金屬元素綜合富集系數(shù)從大到小進行排序結(jié)果為：Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Hg＞Ni＞Cr＞As，而在南山組中，重金屬元素綜合富集系數(shù)從大到小進行排序結(jié)果為：Cu＞Cd＞Ni＞Cr＞Pb＞Hg＞Zn＞As。

植物生物量與重金屬富集量之間存在著某種平衡關(guān)系， 盡管南山組與春灣組中的芒萁Zn、Pb、Cr、Ni 等元素含量并無明顯差異， 但由于春灣組土壤富集 Ni、Cr，南山組土壤富集 Pb、Zn。相應(yīng)元素土壤含量高，以至于計算出的系數(shù)反而小?？傮w而言，芒萁對土壤中Cu、Cd 元素吸收程度最強， 而對As元素吸收程度最低。

3.2.2 植物體內(nèi)重金屬元素轉(zhuǎn)移特征

如表 3 所示，在 5 個植物樣中，As、Ni、Cr 元素的含量分布普遍符合根＞葉＞莖規(guī)律，Cd、Hg、Pb、Zn元素的含量分布普遍符合葉＞根＞莖規(guī)律（圖5）。 從元素的分配狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，五組植物樣品對元素的吸收有著基本相似性，主要富集器官為植物更新能力強的根系和葉片，而莖相對積累能力偏低。

圖4 不同地層中植物綜合富集系數(shù)Fig. 4 Comprehensive enrichment coefficient of plants in different strata

表3 芒萁根、莖、葉中重金屬元素含量分布表（單位：μg／g）Table 3 Distribution of heavy metal elements in roots，stems and leaves of dicranopteris pedata

圖5 芒萁不同部位元素含量對比圖Fig. 5 Comparison of element contents in different parts of dicranopteris pedata

轉(zhuǎn)移系數(shù)大于 1 的重金屬元素有Cu、Zn、Pb、Hg、Cd， 其余 Ni、As、Cr 等 3 種重金屬元素轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于 1（圖6），轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）作為金屬轉(zhuǎn)移能力的反映，可以看出芒萁對 Cu、Zn、Pb、Hg、Cd 元素具有較高的轉(zhuǎn)移能力，TF 分別為 1.13、2.24、1.01、1.70 和 1.67， 而對其他金屬元素的轉(zhuǎn)移能力稍弱，其中芒萁對Zn 元素的轉(zhuǎn)移能力最強，高達2.24。植物體內(nèi)重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)從大到小排序為：Zn＞Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞As。

3.3 巖石—土壤—植物中元素遷移特征

元素含量分布在不同地層中均有差異，但金屬遷移累積規(guī)律大致相同（圖7）。

Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 在土壤和巖石中的含量均高于植株， 植物中的 Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 含量僅占巖石－土壤－植物系統(tǒng)中 Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 總含量的20%－40%，反映出 Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 在巖石－土壤－植物系統(tǒng)中的遷移較弱， 芒萁根莖和葉片中Pb、Zn、Ni、Hg、Cr 較少來自土壤和母巖。

在不同地層中，Cd、Cu 在植物中的含量均大于在土壤和巖石中的含量，在植物中生物富集系數(shù)均大于1，表明Cd 和Cu 元素遷移能力極強，在巖石－土壤－植物系統(tǒng)中除了成土母巖外， 存在人為引起的來源。

As 含量主要分布在土壤和母巖中，在芒萁根莖葉中的分布極少，表明芒萁對As 的富集能力極弱。在春灣組和南山組中， 土壤中As 的含量均超過成土母巖，表明土壤對As 具有一定的富集能力。

圖6 重金屬元素轉(zhuǎn)移系數(shù)均值分布示意圖Fig. 6 Distribution of transfer coefficients of heavy metals

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文通過對楊梅坑地區(qū)不同地層巖石－土壤－植物系統(tǒng)中的重金屬元素遷移規(guī)律研究，總結(jié)出以下幾點結(jié)論。

（1）從巖石到土壤，以泥盆系風(fēng)化物為成土母質(zhì)的土壤富集 Cu、Ni、Cr， 以火山巖風(fēng)化物為成土母質(zhì)的土壤富集 Pb、Zn、Cd、Hg。土壤在區(qū)域上富集特征，與巖石富集特征基本一致，表明地質(zhì)背景是影響土壤重金屬分布的主要因素之一。

（2）芒萁對土壤中Cu、Cd 元素吸收程度最強，而對As 元素吸收程度最低。 植物體內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)移能力趨勢為 Zn＞Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞As。

（3）在巖石－土壤－植物系統(tǒng)中，As 元素的遷移能力極弱， 主要集中于土壤和成土母巖中； Pb、Zn、Hg、Cr、Ni 在在巖石－土壤－植物系統(tǒng)中的遷移較弱，較少受成土母質(zhì)和母巖的影響；Cd、Cu 在巖石－土壤－植物系統(tǒng)中的遷移較強，存在人為引起的來源。

4.2 展望

有關(guān)巖石－土壤－植物系統(tǒng)地球化學(xué)元素遷移規(guī)律的研究很少， 本文是一次探索性的嘗試工作，要明確元素遷移的內(nèi)在本質(zhì)，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，與土壤酸堿度、元素的有效性、元素互補拮抗等因子密切相關(guān)[16]。 本文將巖石、土壤和植物結(jié)合研究，突破了傳統(tǒng)將系統(tǒng)孤立的研究界限，試圖為地質(zhì)背景系統(tǒng)潛在資源復(fù)雜綜合作用找出理論依據(jù)，為區(qū)域資源開發(fā)、生態(tài)保護與修復(fù)、政府決策等提供了基礎(chǔ)資料和地質(zhì)科學(xué)依據(jù)。

圖7 元素在巖石－土壤－植物系統(tǒng)中的分布Fig. 7 Distribution of elements in rock－soil－h(huán)erb system